Horno solar para secado de madera

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Texto completo

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 Canadian Engineering Accreditation Board  Bureau canadien d’accréditation des

programmes d’ingénierie

CEAB

Carrera evaluada y acreditada por: PRÁCTICA DE ESPECIALIDAD

MI-4404

ALFA COMPANY

PROYECTO:

HORNO SOLAR PARA SECADO DE MADERA

INFORME DE PRÁCTICA DE ESPECIALIDAD PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO EN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL, GRADO LICENCIATURA

FABIÁN BONILLA CÁRDENAS

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ii Estudiante en práctica:

Fabián Bonilla Cárdenas

Asesor industrial:

Ing. Jonathan Barquero Méndez

Profesor guía:

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iii

Agradecimientos

Quisiera en primer lugar dar mi agradecimiento a Dios todo poderoso, quien me ha dado las fuerzas para siempre seguir hacia adelante, ha sido mi guía y con sabiduría me ha llevado por el buen camino

Seguido a mis padres y a mi hermano que siempre han realizado todos los esfuerzos necesarios para que yo pueda llevar acabo mis estudios, además siempre han sido un apoyo incondicional durante este período de estudios y en todos mis años de vida. También le agradezco a mis amigos que siempre estuvieron pendientes del proceso de la realización de la práctica.

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iv

Capítulo 1. Descripción de la empresa ... 11

Nombre de la empresa ... 11

Capítulo 2.Conceptualización del Horno de Secado ... 14

Introducción ... 14

Tipos de sistema de secado de la madera ... 18

Secado natural de la madera ... 18

Sistemas de apilado de la madera secada al natural ... 21

Calidad del aire de secado natural ... 23

Duración del secado natural. ... 24

Mejora del secado natural ... 24

Ventajas e inconvenientes del secado natural ... 24

Secado artificial ... 24

Cámaras para secado artificial de la madera ... 24

Características y componentes de una cámara de secado ... 25

Características y elementos básicos que debe poseer una cámara para secado de madera... 25

Clasificación de las cámaras de secado por su eficiencia de secado ... 28

Presecadores ... 28

Presecador con calefacción ... 28

Presecador con calefacción y recirculación de aire... 29

Secadores ... 29

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v

Secadores continuos o túneles ... 31

Deshumidificadores ... 31

Clasificación de las cámaras de secado por su aporte de calor ... 33

ACPM y otros combustibles líquidos derivados del petróleo ... 33

Gas... 34

Secado en cámara mediante aire caliente climatizado ... 46

Características constructivas de las cámaras ... 47

Características y diseño del sistema de circulación del aire interior... 53

Secado tradicional a temperatura media (≤ 80°C) ... 56

Descripción del método ... 56

Secaderos discontinuos ... 57

Secaderos tipo túnel o continuos ... 58

Control y operación de un secador ... 59

Conducción manual... 62

Conducción semi-automática ... 63

Conducción automática ... 63

Capítulo 4 Descripción del horno de secado ... 65

Colector solar ... 65

Distribución energética ... 65

Constante y características de las superficies ... 66

Fórmulas ... 67

Balances de energía en diferentes puntos ... 70

Sistema de ventilación y cámara de secado ... 83

Sistema de Ventilación ... 83

Sistema de ventilación y cámara de secado ... 97

Costo por mano de obra ... 99

Caso 1 Análisis de garantías ... 100

Caso 2. Análisis por consumo eléctricos ... 100

Caso 3 Solicitando préstamo ... 101

Caso 4 Secado exterior ... 101

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vi

Limitaciones ... 102

Conclusiones ... 102

Bibliografía ... 103

Capítulo 7 Apéndices ... 104

Manual de Operación... 104

Capítulo 8 Anexos ... 107

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vii

Índices de figuras

Figura 1. Apilado de madera rolliza ... 19

Figura 2. Disposición de las pilas de madera en el patio de secado ... 20

Figura 3. Sistemas principales de apilado de la madera ... 22

Figura 4. Vista Lateral de secador solar para maderas ... 38

Figura 5. Vista superior secador solar para madera ... 39

Figura 6. Gráfico de comparación de secado solar contra secado al aire libre ... 40

Figura 7. Comparación de curvas de secado solar y secado al aire de la especie Caoba hondureña, usando espesores de una pulgada y dos pulgadas ... 40

Figura 8. Pérdida de calor en un colector de placa plana... 43

Figura 9. Tipos de Puerta ... 52

Figura 10. Tipos de sistemas de ventilación ... 55

Figura 11. Secador tradicional ... 58

Figura 12. Secador Tradicional continúo ... 59

Figura 13. Variación del contenido de humedad CH de la madera en función del tiempo... 61

Figura 14. Solución a malos recorridos del aire y a tamaño insuficiente de pilas dentro de una cámara de secado ... 62

Figura 15. Distribución del calor en todas sus formas ... 65

Figura 16. Plano constructivo de colector solar ... 82

Figura 17. Estructura de Madera del colector y posición de los vidrios ... 82

Figura 18. Abanico principal ... 84

Figura 19. Abanicos de Distribución ... 85

Figura 20. Selección de Damper ... 86

Figura 21. Ubicación del sistema de ventilación en la cámara de secado... 87

Figura 22. Detalle Lateral de la cámara de secado ... 88

Figura 23. Modulación de cargas de madera ... 89

Figura 24. Vista frontal de la cámara de secado y detalle de las ventilas ... 90

Figura 25. Modulación de cargas en diferentes circunstancias ... 91

Figura 26. Esqueleto de Madera, capa aislante y recubrimiento interno de metal 92 Figura 27. Interior de cámaras de secado ... 92

Figura 28. Esqueleto interior de la cámara de secado para colocar el recubrimiento ... 93

Figura 29. Diagrama de conexión eléctrica ... 94

Figura 30. Diagrama de Conexión entre el tablero principal y los motores ... 95

(8)

viii

Índice de tablas

Tabla 1. Funciones y efectos de los instrumentos básicos que pueden encontrarse

en un secador ... 60

Tabla 2. Temperatura del vidrio, placa y media en K y °C... 71

Tabla 3. Características del aire a la temperatura media ... 72

Tabla 4. Número de Rayleigh a la temperatura correspondiente ... 73

Tabla 5. Número de Nusselt a la temperatura correspondiente ... 73

Tabla 6. Coeficiente de convección a la temperatura correspondiente ... 74

Tabla 7. Coeficiente de radiación entre la placa y el vidrio a la temperatura correspondiente ... 75

Tabla 8. Temperatura en la cámara interna de aire correspondiente a la temperatura ambiente ... 76

Tabla 9. Temperatura media entre el ambiente y la placa en K y °C ... 76

Tabla 10. Características del aire a la temperatura media ... 77

Tabla 11. Número de Rayleigh asociado a la temperatura correspondiente ... 78

Tabla 12. Número de Nusselt asociado a la temperatura correspondiente ... 78

Tabla 13. Coeficiente de convección entre el flujo de aire y el vidrio ... 79

Tabla 14. Coeficiente de convección entre la placa y el aire fluyendo ... 80

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ix

Índice de ecuaciones

Ecuación 1. Contenido de humedad de la madera ... 17

Ecuación 2. Coeficiente de Llenado ... 25

Ecuación 3. Formula de transferencia de calor por conducción ... 43

Ecuación 4. Formula general de la radiación térmica ... 44

Ecuación 5. Radiación térmica entre dos superficies planas... 44

Ecuación 6. Transferencia de calor de una superficie pequeña a una superficie infinita ... 45

Ecuación 7. Formula general de convección ... 45

Ecuación 8. Formula general del Número de Rayleigh ... 46

Ecuación 9. Fórmula general del Nusselt ... 46

Ecuación 10. Longitud característica para cualquier superficie ... 67

Ecuación 11. Conducción en el vidrio ... 68

Ecuación 12. Conducción en la placa ... 68

Ecuación 13. Coeficiente de convección de la cámara de aire al vidrio ... 68

Ecuación 14. Coeficiente de convección de la placa a la cámara de aire ... 69

Ecuación 15. Coeficiente de conducción entre el vidrio y el exterior ... 69

Ecuación 16. Coeficiente de radiación del vidrio con el exterior ... 69

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Resumen

Este proyecto se concibió con el fin de diseñar un horno para secar madera utilizando una energía alternativa y aprovechándola al máximo. Para esto se decidió utilizar la energía solar ya que es abundante en la zona, y favorece a este horno con los diferentes requerimientos sugeridos por la empresa.

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Capítulo 1. Descripción de la empresa

Nombre de la empresa

Alfa Company S.A

Misión

“Buscamos seguir siendo una empresa costarricense líder en la construcción, con los más altos estándares de servicio, calidad, responsabilidad y seriedad, comprometidos con satisfacer y exceder las necesidades de nuestros clientes. Trabajamos para continuar siendo una empresa orgullosa de su producto. Una empresa confiable y honesta.”

Visión

“Deseamos seguir siendo líder en el sector construcción, trabajando en una constante actualización, para lograr la máxima satisfacción de nuestros clientes. Buscando siempre las mejores técnicas y sistemas constructivos y ser una empresa que trascienda fronteras con excelencia, satisfaciendo las expectativas de nuestros clientes a través de la calidad, precios competitivos y plazos seguros.”

Reseña histórica

Alfa Company, S.A. es una empresa dedicada a la construcción de obras civiles, acabados internos, remodelaciones, administración de proyectos y servicios de asesoría.

La empresa nació constituida por capital ciento por ciento costarricense, fue inscrita en el Registro Público desde el año 2009. Cuenta con profesionales con alta experiencia en la supervisión y dirección de proyectos de ingeniería civil de gran magnitud y complejidad, por medio de servicios de excelencia, alto nivel de cumplimiento y calidad en el servicio.

Dentro de las áreas de construcción desarrolladas por Alfa Company se encuentran: la construcción de edificios, viviendas de alto nivel, bodegas, obras de urbanización, etc.

Alfa Company, S.A siempre está mejorando aquellos aspectos que el avance de la tecnología así lo requiera, con el propósito de mantener el servicio que se ofrece en el campo de la construcción.

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personal se actualiza constantemente para cumplir con la filosofía la empresa. "trabajando para construir sus sueños

Organización de la empresa

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Descripción del proceso productivo

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Capítulo 2.Conceptualización del Horno de Secado

Introducción

La conceptualización de realizar un secador solar para madera nace de la idea de aprovechar este tipo de energía como un recurso inagotable, siempre y cuando se descarte cualquier otra forma de secado que mejore el proceso de obtención de energía ya seleccionado. Hacer uso de la energía solar ayuda al medio ambiente en cuanto a que no hay emisión de gases para el secado de madera ni tampoco existe consumo eléctrico, por lo que nunca se va a incurrir en facturación eléctrica. Además, obtiene un grado de humedad menor en la madera y el proceso es más rápido y eficaz que el secado natural.

Objetivos

Objetivo general

 Diseñar un sistema de secado para madera utilizando el calor del sol con base en los parámetros requeridos por Alfa Company.

Objetivos específicos variable de madera dentro del secador.

 Edificar un sistema de construcción portátil para poder ser instalado en cualquier lugar del proyecto.

 Evaluar la factibilidad de la puesta en marcha del secador en cuanto a costo total y situación actual de la empresa.

 Juzgar el proceso de secado de madera más eficiente y que se acople de la mejor manera a las necesidades de Alfa Company.

 Diseñar el colector solar que supla las características requeridas para el funcionamiento óptimo del secador.

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Antecedentes

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16 formas: agua libre, que se encuentra en las cavidades celulares, y agua atada, la cual está unida a los constituyentes de la red celular. La primera es relativamente fácil de eliminar, mientras que el agua atada es necesario invertir cierta cantidad de energía adicional. En algunos casos, el agua contenida en la madera puede significar el 75% o más del peso total de la misma.

Algunas ventajas que se obtienen al secar la madera son las siguientes:

Disminución de peso, lo que reduce considerablemente los costos por concepto de transporte de este material.

Estabilidad dimensional, ya que la madera no sufrirá cambios apreciables en sus dimensiones, si se seca a un nivel de humedad similar al que tendrá en el ambiente en que se va a utilizar.

Mayor resistencia, puesto que se ha comprobado que puede aumentar hasta un 33% más su resistencia con respecto a la madera verde.

Protección a la degradación. La madera, sometida a un eficiente secado y mantenida con un bajo contenido de humedad (menos de 20%), nunca sufrirá el ataque de hongos. Además algunos insectos que atacan madera verde no atacarán la madera que haya sido secada adecuadamente.

Mejor preservación. La madera seca podrá ser impregnada con sustancia persevantes. Este efecto se logra de una forma más eficiente, cuando se usan productos no hidrosolubles o cuando el tratamiento se realiza bajo presión.

Aceptación y retención de acabados. Conforme la madera posea un menor contenido de humedad tendrá mayor capacidad de aceptar y retener en buen estado cualquier todo de acabado.

Aumento de adhesividad. La madera que se someten a un proceso de secado, obtendrá una mejora considerable en las propiedades adherentes, por lo que se obtendrán juntas más estables y de mayor resistencia.

Mayor trabajabilidad. La madera con bajo contenido de humedad presenta mejores propiedades para ser trabajada, por lo que puede ser elaborada en forma más eficiente y se obteniene un producto final mejor terminado.

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17 que permite utilizar la madera seca como aislante de la conductividad eléctrica.

Aumento de resistencia térmica. Los espacios celulares e intercelulares de la madera seca se encuentran ocupados por aire, lo que reduce la transmisión de calor.

Contenido de humedad

El contenido de humedad de la madera (C.H.) se define como el peso de la cantidad de agua presente, expresado como porcentaje con respecto al peso de la madera seca al horno (peso del material leñoso). Matemáticamente se expresa de la siguiente forma:

Ecuación 1. Contenido de humedad de la madera

Fuente: (Eduardo Sibaja Arias, 1985)

Con éste parámetro, el C.H. de los árboles va desde un 30% hasta un 200% o más; lo que da una idea de la variabilidad de contenidos de humedad con que la madera llega a los centros de procesamiento.

El C.H. con que se debe trabajar la madera depende del uso que se le dará y de las condiciones climáticas de la región de que proceda el producto. Por ejemplo, para manufactura de muebles en Costa Rica se puede trabajar con un 15% de C.H. en promedio, mientras que, en algunas regiones de Estados Unidos, el C.H. no debe ser mayor de un 8%.

Secado de la madera

Hay dos formas de extraer el agua de la madera: el secado natural o al aire, y el secado artificial o en hornos.

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18 métodos entre los que se pueden destacar el secado convencional o con fuente de calor y fuente de humedad, y el secado por deshumidificación cuyo principio se puede resumir en un sistema de recirculación de aire. Según este sistema, el aire se hace pasar por un condensador para condesar el agua existente en él. Una vez seco pasa a través de la madera donde, por transferencia de masa, el agua pasa al aire.

La industria de la madera en Costa Rica está compuesta principalmente por pequeñas empresas que, en la mayor parte de los casos, no pueden pagar ninguno de los dos sistemas, y trabajan la madera sin secar o con un contenido de humedad incorrecto para los usos que le dan. Una solución a este problema son las “secadoras solares”.

Tipos de sistema de secado de la madera Secado natural de la madera

Es la forma más simple de secar la madera. Consiste en la exposición directa de la madera al medio ambiente. La temperatura, la humedad relativa, la velocidad y la presión del aire ambiente llevan a cabo el secado hasta el contenido de humedad de equilibrio CHE del lugar.

Secado natural de la madera rolliza

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Apilado de la madera rolliza

La manera corriente de apilar la madera rolliza consiste en armar pilas conformadas por planos horizontales, de superficie determinada por la longitud de los trozos: El primer tendido se separa del piso por medio de durmientes; los siguientes tendidos se cruzan cada vez en ángulos rectos con el anterior, hasta una altura que permita transportar sin tropiezo las trozas que por lo general son pesadas. Entre las trozas de un mismo tendido horizontal se dejan separaciones de unos 5 cm para facilitar la formación de corrientes ascendentes de aire que contribuyen al secado.

Fuente: (Johnson, 1998) Figura 2. Apilado de madera rolliza

Otra modalidad de apilado de uso general en las plantas de secado e inmunizado de madera rolliza emplea separadores reutilizables entre los tendidos horizontales de trozas.

Secado natural de la madera aserrada

El secado natural de la madera aserrada se realiza en patios de secado. Estos son terrenos planos, de piso duro y compactado, situados en lugares no inundables que poseen un buen drenaje, libre de obstáculos y de vegetación que impidan la libre circulación del viento.

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20 lo permite, por ejemplo, cuando se utilizan montacargas es posible disponer una pila sobre otra conformando volúmenes de unos 4 metros de alto, por 1,20m de ancho por el largo de las piezas. Cuando las pilas son altas debe prevenirse el volcamiento utilizando riostras o diagonales que amarren las pilas unas con otras. Aunque existen varias formas de disponer las pilas en el patio de secado, la disposición mostrada en la figura 2 es la más utilizada, porque parece ajustarse mejor a las condiciones de secado al aire libre.

Fuente: (Johnson, 1998) Figura 3. Disposición de las pilas de madera en el patio de secado

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21 las fibras, las testas de las tablas se cubren con una capa de sellador para evitar rajaduras en los extremos y secado disparejo en las piezas de madera.

Las pilas deben hacerse sobre bases o fundaciones hasta de 50cm de alto según el tipo de piso,que las separen del terreno para evitar que la madera absorba la humedad del suelo y para crear corrientes ascendentes de aire que contribuyen al secado cuando no hay viento; además, las piezas deben separarse entre sí una distancia igual a su espesor.

Las pilas deben conformarse con madera de la misma especie, del mismo espesor y si es posible del mismo contenido de humedad.

Sistemas de apilado de la madera secada al natural

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Fuente:(Johnson, 1998) Figura 4. Sistemas principales de apilado de la madera

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23 Se deben colocar separadores en los extremos de las piezas de madera para reducir las rajaduras y las grietas en las testas. La dimensiones de los separadores y la distancia entre ellos debe ser consecuente con el espesor y la cantidad de piezas que soportan. Por ejemplo, para tablas de 3cm de espesor en una pila de 2m de altura pueden utilizarse separadores de 2.5 x 2.5cm colocados a 50cm de distancia. Las pilas deben disponerse en el patio de tal forma que queden perpendiculares a la dirección de los vientos de tal manera que éstos circulen por el túnel formado por dos separadores contiguos, atraviesen la pila y le extraigan la humedad a la madera.

Apilado en caballete: las tablas se colocan de canto, en posición casi vertical, de modo que se apoyen abajo en la base de las pilas y arriba descansen en una viga horizontal situada a una altura consecuente con la longitud de las piezas. Debe colocarse una tabla a un lado y la siguiente al lado contrario, de manera que los extremos de la tabla se crucen por encima del travesaño formando una X. Debido a los grandes espacios libres entre la tabla, este apilado puede reducir hasta la mitad el tiempo de secado de coníferas por encima del punto de saturación de las fibras PSF, respecto al tiempo de secado del apilado horizontal. Por debajo del PSF, las coníferas secadas en caballete tienen a deformarse. Este sistema de apilado no es adecuado para maderas propensas a deformarse después del aserrado.

El apilado en caballete es poco estable ocupa mucho espacio y proporciona un secado no uniforme sobre la longitud de la tabla, la cual es menos seca en la base que en la parte superior cercana al sitio donde forma la X.

Apilado por los extremos: llamado también “apilado de pie”. Las tablas descansan recostadas sobre un apoyo alto en posición casi vertical y separada del suelo por una plataforma.

Apilado en triángulo: se utiliza sobre todo para secar tablones. Tres piezas de madera se cruzan una sobre otra en posición horizontal de manera que conformen un triángulo. Este sistema ocupa mucho espacio e impide el secado completo en la zona de apoyo de las piezas, que hacen las veces de separadores.

Calidad del aire de secado natural

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24 La madera que se seca al aire solo lleva a estabilizarse con el contenido de humedad de equilibrio CHE del lugar.

Duración del secado natural.

No existen registros fiables para estimar el tiempo que toma la madera para secarse al aire libre. La duración del secado natural depende de las variaciones climáticas del lugar y del contenido de humedad inicial de la madera. En términos generales se encuentran variaciones bastante importantes en la duración del secado al aire: Con tiempo seco y cálido puede secarse madera de un contenido de humedad inicial del 50% más o menos en 1 mes; si las condiciones son desfavorables, el secado puede prolongarse de 6 meses a 1 año.

Mejora del secado natural

Además de la cubierta de protección que se colocan sobre las pilas horizontales, en los lugares con viento demasiado fuerte; este puede controlarse anteponiendo a las pilas de madera mamparas con persianas regulables. Cuando esos sistemas elementales de secado poseen ventiladores y elementos de calefacción de aire, reciben el nombre de presecadores y constituyen los más simples de los sistemas de secado artificial que se conocen.

Ventajas e inconvenientes del secado natural

Entre las ventajas del secado natural pueden mencionarse su bajo costo de implementación y consumo nulo o muy bajo de energía. A pesar de la lentitud del proceso y de las diferencias de temperatura entre el día y en la noche, el secado es uniforme, la madera presenta pocos defectos y posee casi ninguna variación en su coloración si se toman las precauciones adecuadas.

Las mayores inconvenientes del secado natural son: su dependencia de las variaciones climáticas del lugar, su lentitud, y el requerir una superficie importante en patios. Puesto que la madera es propensa al ataque de hongos e insectos, pueden ocasionarse grandes pérdidas si no se toman las debidas precauciones. En el mejor de los casos, el secado natural permite llevar la madera solo hasta el contenido de humedad de equilibrio.

Secado artificial

Cámaras para secado artificial de la madera

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Características y componentes de una cámara de secado

Las condiciones de trabajo del secador pueden ser extremas: temperaturas de aire cercano a 100 ° C y humedad relativa del 100%; paredes de la cámara atacadas por los componentes químicos que libera la madera (ácido acético, ácido fórmico, taninos). La cámara debe entonces poseer ciertas características de construcción que le permitan resistir estas condiciones difíciles de trabajo. Además para lograr un control de los factores que condicionan el proceso, el secador debe contar con los siguientes elementos básicos: la cámara, el sistema de circulación del aire, el dispositivo de calentamiento y los medios de control de las condiciones de secado.

Características y elementos básicos que debe poseer una cámara para secado de madera

Dimensiones

Las dimensiones de la cámara dependen de la cantidad y de las dimensiones de la madera a secar, de las condiciones de ocupación del espacio impuestas por el tipo particular del secador de que se trate, de la forma como deben manipularse la madera en el interior de la cámara y de los medios de acceso a las muestras que deben distribuirse en lugares estratégicos de las pilas, para que sean representantes de la evolución del secado.

Para obtener un mayor aprovechamiento del volumen de la cámara, éste debe ser tan cercano como sea posible al volumen de la carga de madera que sea secada. Una forma de medir este aprovechamiento es por medio del valor de la relación llamada “Coeficiente de llenado”, el cual es igual al cociente entre el volumen de madera Vm y el volumen de la cámara Vc.

Ecuación 2. Coeficiente de llenado Fuente: (Johnson, 1998)

El coeficiente de llenado se considera bueno cuando su valor varía entre 0,35 y 0,5, lo que equivale a decir que el volumen de la cámara es de 2 a 3 veces mayor que el volumen de la madera colocada en su interior.

Materiales de construcción

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26 características requeridas para un correcto secado (aislamiento térmico, hermeticidad y resistencia a la corrosión).

Los materiales más utilizados son la mampostería de ladrillo o de bloques de cemento (para lo cual no debe utilizarse morteros de cemento con cal adicional), los perfiles y láminas metálicas, (que deben cubrirse con pinturas anticorrosivas para evitar que sean atacados por la corrosión), y la madera. El piso debe resistir el peso de las cargas y facilitar el drenaje del agua. Las juntas entre el techo y los muros deben impedir el paso del aire y el calor.

Las puertas deben llevar empaque elásticos para impedir fugas y permitir la facilidad de maniobra durante el cargue y descargue de la madera. Los sistemas más utilizados son las puertas de batientes (simples, y se requiere un espacio exterior amplio para abrirlas), las puertas deslizante hacia un costado (ocupan menos espacio al abrirlas pero es más difícil lograr con ellas una buena hermeticidad), las cortinas metálicas (fáciles de conseguir en el comercio pero son malas aislantes), y las puertas deslizantes hacia arriba (requieren rieles y una estructura sólida para soportarlas cuando están abiertas y resistir el posible efecto del viento.

Aislamiento térmico

El aislamiento de las cámaras de secado tiene por objeto evitar que el calor de secado se fugue hacia el ambiente exterior. Para efectos de aislamiento e impermeabilización, las cámaras deben considerarse como una edificación y resolver conforme a los principios de arquitectura y construcción.

Si la cámara está situada en el exterior, deben tenerse en cuenta los efectos de la intemperie y de los vientos dominantes; Estas condiciones son más benignas en la cámaras de secado situadas en el interior de un edificio.

Cuando el aire húmedo de secado produce condensación de agua sobre las caras internas de los muros, es necesario mejorar el aislamiento por medio de un aislante térmico de mayor espesor. Cuando el aislante es propenso a estropearse por la humedad de condensación, debe protegerse su cara interna con una barrera impermeable (papel de aluminio, polietileno, etc.).

Hermetismo

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27 el techo y los puntos de contactos entre ambos no deben existir sitios por donde el aire se escape al exterior. Las puertas de acceso, los postigos de ventilación controlada y los puntos de paso de las tuberías, cables y ductos de aire, deben llevar empaques adecuados que permitan el movimiento relativo de las partes cuando éste debe existir, pero impida el libre paso del aire hacia el exterior.

Ventilación controlada

Las cámaras de secado están provistas de postigos o ventilas que permiten la salida del aire húmedo ya servido y su remplazo por aire ambiente más seco. Según sea el grado de tecnificación de la cámara, los postigos funcionan en forma manual o por medio de unos mecanismos automáticos; algunas cámaras tienen extractores destinados a la evacuación del aire húmedo. Las únicas cámaras que no requieren ventilas de evacuación son los deshumidificadores, los cuales reciclan constantemente el mismo aire, pues poseen un sistema que permite extraer el agua del aire a medida que se desarrolla el proceso de secado.

Circulación del aire

El aire es el vehículo que transporta la humedad que sale del interior al exterior de la madera. Para que el aire efectúe su trabajo en forma adecuada, debe poseer una presión suficiente que lo haga circular dentro de la cámara a cierta velocidad y la permita vencer los obstáculos que encuentra en su recorrido. Este efecto se logra por medio del viento en el secado natural y de manera más efectiva por medio de ventiladores en el secado artificial.

Las características que más nos interesa determinar en un ventilador son su caudal y su presión estática. El caudal es el volumen del aire que el ventilador impulsa por unidad de tiempo y se mide en m³ o pie³, por minuto, o segundo; el caudal implica que el aire circule a través de la madera con suficiente velocidad. La presión estática es la ejercida por el aire sobre las paredes de la cámara y es un indicativo de la fuerza que el aire debe aplicar sobre las superficies que se oponen a su libre circulación. La unidad más común para medir la presión estática de un ventilador es la “longitud de columna de agua“(metro de columna, o pulgadas de columna).

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28 Los ventiladores centrífugos proporcionan bajos caudales a presiones estáticas altas. Por el contrario, los ventiladores axiales suministran altos caudales a presiones estáticas bajas. El secado de madera en general necesita altos caudales y bajas presiones, por esta razón, y por que en principio es menos costosos, es más corriente que se utilicen los ventiladores axiales para impulsar el aire dentro de las cámaras de secado. Los ventiladores centrífugos se usan en general, donde por razones de ahorro de espacio, el diseño de las cámaras así lo requieran.

Los secadores se pueden ordenar de varias formas por su sistema de aporte de calor o por su eficiencia de secado como se va a explicar a continuación

Clasificación de las cámaras de secado por su eficiencia de secado

La clasificación de las cámaras de secado puede hacerse en función de las posibilidades de lograr dentro de ellas un efectivo control de las condiciones de aire de secado. Convengamos en llamar presecadores a las cámaras simples de control de aire, de forma poco estricta o inexistente; mientras que los secadores, en cambio, son cámaras en las cuales las condiciones de aire pueden ser controladas completamente para garantizar el correcto seguimiento de un programa de secado.

Presecadores

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29 diferentes medios, el más corriente debido a su simplicidad, aunque tal vez el más desfavorable en términos de costo y consumo energético, consiste en colocar resistencias eléctricas próximas a los ventiladores. El presecador con calefacción reduce el tiempo de secado pero genera también mayores costos, sobre todo si se tiene en cuenta que en esos aparatos el sistema de calefacción trabaja con bajos rendimientos debido a las pérdidas de calor.

Un caso particular de presecador con calefacción es el túnel de secado, en el cual el aire caliente penetra por uno de los extremos, y a medida que recorre el túnel en el sentido de la longitud pasando a través de pilas sucesivas de madera dispuesta en vagonetas sobre rieles, se va humedeciendo paulatinamente hasta abandonar el secador por el extremo opuesto, con una humedad relativa HR cercana a la saturación. Las vagonetas se desplazan en sentido opuesto al flujo de aire y presentan un grado de sequedad escalonado desde madera seca, a la salida, hasta madera húmeda a la entrada del túnel del tren de vagonetas.

Presecador con calefacción y recirculación de aire

Si a los presecadores con calefacción se les implementa un sistema de recirculación del aire dentro de la cámara, se obtiene un secador con el cual es posible lograr un mejor control de las condiciones de secado y por consiguiente someter a la madera a un programa de secado. En la medida en que este tipo de cámara permita una calidad aceptable de secado, prácticamente se convierte en un secador, aparato con el cual puede garantizarse el control completo de un programa de secado.

Secadores

Los secadores son cámaras en las cuales puede lograrse un control efectivo, un rendimiento considerable y una buena calidad de la madera seca. Un secador debe cumplir con los siguientes principios de diseño: la cámara debe ser hermética (que no permita fugas de aire) y aislada térmicamente; la circulación del aire debe ser pareja y regular; y debe poseer un control estricto de la humedad relativa HR y de la temperatura del aire.

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30 rendimiento del proceso. La segunda forma de controlar el aire en el proceso de secado convencional consiste en condensar el vapor de agua contenido en el aire de secado para convertirlo en líquido, el cual se saca del secador. El aire así purgado de su humedad, recircula indefinidamente hasta el final del proceso de secado. Con base en este principio funcionan los secadores de madera llamados deshumidificadores, los cuales se describen en el apartado de secadores convencionales.

Secadores Convencionales

Los secadores convencionales operan a temperatura del orden de 40°C a 80°C al inicio del secado y del 70°C a 93°C al final del secado. La velocidad del aire va de 1.5 m/s por segundo a 2.5 m/s. El proceso de secado toma de 6 a 10 días para obtener madera entre el 18% y el 20% de CH.

La cámara de secado debe responder a las características ya estudiadas en características y componentes d una cámara de secado y, en particular, deben soportar las máximas temperaturas de operación cercanas a 100°C. Los ventiladores pueden colocarse en la parte superior de la cámara o en los costados laterales y, como se ha dicho, pueden ser axiales o centrífugos. La opción más común consiste en colocar ventiladores axiales en la parte superior y separados de las pilas de madera por medio de un cielo raso. Cuando la cámara tiene ancho un ancho mayor de 2.5 metros, es aconsejable utilizar ventiladores reversibles que inviertan el sentido del flujo del aire a través de la pila de madera.

Los secadores tradicionales poseen un sistema de humidificación del aire de secado para evitar que las temperaturas relativamente altas que pueden alcanzarse deterioren la madera al propiciar en ella una pérdida de humedad demasiado rápida. Los medios de humidificación empleados son el mismo vapor producido por la caldera, que se inyecta directamente a la cámara de secado, o la inyección de agua fría pulverizada por medio de un aspersor. En general, el sistema de humidificación del aire se encuentra después del sistema de calentamiento, en el sentido de flujo del aire.

Finalmente, la variación de la humedad relativa HR del aire dentro del secador se logra mediante el control de postigos o chimeneas de evacuación del aire que se sitúan en la zona de presión de los ventiladores. Las chimeneas de admisión de aire se colocan en la zona de succión de los ventiladores.

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31 relativa HR del aire, que depende de las condiciones del aire ambiente; la posibilidad de generar defectos en la madera debido a las altas temperaturas; y la necesidad de renovar el aire, proceso en el cual hay pérdidas de calor hasta de un 75% por concepto de calentamiento del aire ambiente de reemplazo.

Secadores continuos o túneles

Referente a los presecadores, un túnel de secado permite un proceso continuo en el cual periódicamente una vagoneta con madera sale del túnel y es reemplazada por una vagoneta con madera húmeda que entra por el costado opuesto al de salida de la cámara de secado. El aire circula en el sentido opuesto al desplazamiento de las vagonetas. Los secadores continuos son túneles de hasta 40 metros de longitud en los cuales se disponen, a lo largo, los elementos de calefacción y los ventiladores encima de un cielo raso; la evacuación y el reemplazo del aire se efectúan por medio de chimeneas. En túneles de menor longitud es frecuente encontrar un solo ventilador en el extremo por cual entra el aire. Debido a sus condiciones de trabajo, en las cuales entra el aire atraviesa y no recircula, es difícil lograr un control homogéneo de la temperatura y la humedad relativa HR sobre toda la longitud del túnel. En efecto, sólo las condiciones del aire a la entrada son controlables con exactitud. Para lograr un mejor control de las condiciones del aire en los túneles largos, se han ideado comportamientos sucesivos separados la longitud total por medio de cortinas metálicas. Asimismo, para remediar en parte las limitaciones del sistema, se agregan secciones iniciales que precalientan la madera por medio del aire húmedo y caliente que evacúen las chimeneas del túnel y, al final, una sección de acondicionamiento con sus condiciones independientes de circulación del aire y temperatura. Los túneles de secado continuo son una solución adecuada cuando se dispone de gran cantidad de madera de las misma especie y con las mismas características, puesto que se trata de un sistema de secado con limitaciones de control que nos e adapta a una producción compuesta por maderas de diferente tipo.

Deshumidificadores

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32 circuito se cierra con el regreso del gas a baja presión al compresor desde donde inicia un nuevo ciclo.

En un deshumidificador, el circuito de aire de secado húmedo llega por la parte inferior y entra en contacto con el evaporador frío. El aire de secado pierde en esta operación el agua que contiene. Luego, el aire seco entra en contacto con el condensador y se calienta. Antes de regresar a la cámara de secado por la parte superior de la máquina el aire puede calentarse más utilizando resistencia eléctricas que se sitúan después del ventilador que succiona el aire a través de la unidad.

En resumen, el aire servido de la cámara pasa por la máquina donde se le purga el agua, la cual se recoge en un recipiente y se lleva al exterior por medio de una manguera. El aire se calienta luego y regresa a la cámara para realizar un nuevo ciclo a través de la madera. El deshumidificador recicla entonces el mismo aire de secado y no precisa de ventilas para intercambio de aire con el exterior; no obstante, algunos de estos secadores tienen forma de intercambiar aire con el exterior, lo cual funciona de forma similar a un secador convencional.

A parte de la singularidad que representa el no intercambio de aire con el exterior, la construcción de la cámara de un deshumidificador debe poseer las características y los componentes que se presentaron en la sección “características y componentes de una cámara de secado”. La ventilación suele realizarse por medio de ventiladores axiales situado en la parte superior de la cámara de secado; algunos modelos se deshumidificadores funcionan con un ventilador único, se trata del ventilador principal de la máquina la que cumple salida del aire al sistema.

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33 Respecto a la potencia del compresor, se pueden hacer las siguientes aproximaciones: para un promedio de 45 litros de agua evacuados diariamente, se requiere un compresor de 1 HP (HP = caballo de potencia); para secar un volumen de 2.4 m³ de madera, se precisa un compresor de 0.6 HP si el secado es lento y las piezas de madera tiene un espesor menor de 5 centímetros; si la madera es más gruesa se requiere alrededor de 1 HP, si el secado es rápido se necesita una potencia de compresor de 2 HP para secar las 2.4 mts³ de madera delgada. En algunos deshumidificadores se lleva a cabo un acondicionamiento final del orden de 24 horas a 70°C, para el cual se requiere una pequeña caldera que suministre vapor. En otros aparatos se efectúa un acondicionamiento menos fuerte, por medio de aspersores que pulverizan agua a temperatura ambiente.

Si no es necesario utilizar a menudo las resistencia eléctricas adicionales, el deshumidificador consume sólo la energía eléctrica que requieren el compresor y los ventiladores, de ahí que su consumo sea razonable en términos de energía eléctrica, lo cual lo convierte en una solución de secado interesante y práctica.

Clasificación de las cámaras de secado por su aporte de calor

El secado artificial de la madera requiere el aporte de energía en forma de calor. Este debe ser suministrado de forma suficiente para elevar la temperatura del aire dentro de la cámara, romper los enlaces químicos entre las moléculas de agua y de madera, y luego evaporar el agua; además de compensar las pérdidas de calor por las paredes, piso, techos, por las chimeneas y otros dispositivos de la cámara que estén en contacto con el exterior. La forma corriente de aportar el calor necesario consiste en calentar directamente el aire de secado, o calentarlo de manera indirecta poniéndolo en contacto con superficies calientes llamadas “intercambiadores de calor”. Como se verá enseguida, estas dos formas de calentar el aire dependen de la fuente de producción de calor que se utiliza para realizar el secado.

ACPM y otros combustibles líquidos derivados del petróleo

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34 La otra forma de utilizar estos combustibles consiste en alimentar calderas. Las calderas trabajan por medio de una combustión a presión mayor que la de la atmósfera, que permite un mejor rendimiento térmico de la combustión. Los gases de combustión entran en contacto con una serie de tuberías de intercambio por la que circula un fluido (en general, agua o aceite) a presión más o menos alta según el tipo de calderas; Estas tuberías llegan hasta lugares estratégicos de la cámara de secado, donde por medio de superficies de intercambio calientan el aire de secado, y el fluido frío regresa a la caldera donde reinicia el ciclo de calentamiento.

Los intercambiadores se componen de tubos y aletas fabricadas en metales resistentes a la corrosión. Su forma está determinada por el tipo de fluido que circula en su interior, y las superficies calientes que realizan el intercambio de calor se reparten de manera adecuada en relación con las corrientes de aire que circulan dentro de la cámara.

Las calderas son aparatos costosos y complejos compuestos por una serie de equipos como motobombas eléctricas de circulación, válvulas de seguridad, trampas de vapor, tanque de almacenamiento del fluido de circulación y de combustible, de controles eléctricos, etc. A pesar de su costo y de la necesidad de mano de obra calificada para operar y dar mantenimiento al sistema, los secadores de madera con base en calderas son bastante comunes debido a su rendimiento y a la seguridad de funcionamiento, los cuales son relativamente buenos. Sin embargo los humos que resultan de la combustión son una fuente de polución.

Gas

Al igual que los combustibles líquidos derivados del petróleo, el gas puede ser utilizado como fuente de energía directa o para alimentar calderas. Utilizando de manera directa tiene la ventaja de que, al no ser tóxicos sus gases de

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35 sistemas de menor rendimiento térmico, debido a la combustión directa y al sistema de intercambio, son aparatos simples y fáciles de implementar; Al ser el carbón un combustible corriente y barato, y la leña o el retal de madera un sobrante común y a menudo incómodo para los procesadores de madera, es razonable utilizarlos como fuentes energéticas para el secado. La combustión directa acarrea riesgos de incendio que deben considerarse al posicionar estas estufas en la planta de producción. La combustión del carbón y de la leña produce gases que constituyen una fuente de polución.

Energía eléctrica

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Sistemas mixtos

Es posible combinar varias fuentes de calor para obtener un sistema mixto de aporte de calor. Por ejemplo, la energía solar puede calentar el aire en el día, y una estufa de carbón o de leña, una caldera, un quemador o un sistema eléctrico, puede suplir el calor necesario durante la noche. A pesar de que los sistemas mixtos introducen complejidad en el diseño y generan aumento en los costos de construcción del secador solar, son soluciones adecuadas para adaptarse a las facilidades energéticas de un lugar, o de un método determinado. Esta concepción de un secador mixto se adapta también a los cambios progresivos de una producción creciente de madera seca que debe ir aumentando de manera escalonada su capacidad de secado.

Secadores de vacío

El secado al vacío logra mayor rapidez en la evacuación del agua de la madera, así como su ebullición a temperaturas relativamente bajas. Se realiza en cámaras cilíndricas de acero, con tapas esféricas, que resisten a la presión atmosférica cuando se hace el vacío al interior; disponen de un medio de aporte de calor (resistencias o intercambiadores), de un dispositivo para eliminar el agua y de los controles para regular el proceso de secado.

Existen secadores de vacío hasta de unos 20m3 de capacidad, a los cuales

se introduce la madera por medio de rieles que soportan vagonetas. Este sistema sofisticado puede reducir el tiempo de secado en una quinta parte, respecto al tiempo empleado en los secadores convencionales.

Otros métodos de secado

El secado por medio de micro-ondas se lleva a cabo en aparatos que funcionan en forma similar a los hornos micro-ondas que se utilizan en las cocina, con base en ondas electromagnéticas de alta frecuencia.

El secado se comporta de manera similar al secado clásico con aire caliente y húmedo, pero el tiempo de secado se reduce de manera significativa.

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37 El secado a alta presión consiste en lograr la evacuación del agua prensando la madera. Es un procedimiento poco práctico que tiene, como el secado químico, un interés ante todo técnico.

El secado a alta frecuencia se efectúa colocando un cuerpo resistente al paso de la corriente (como la madera) entre dos electrodos conectados a un generador de alta frecuencia. El cuerpo se constituye en un condensador dieléctrico que se calienta desde el centro hacia afuera por efecto de una fuerte agitación molecular. Estos secadores se utilizan para secado de hormas de madera, cachas de armas y otras piezas especiales.

El secado por radiación infrarroja y por radiación electromagnética consiste en el calentamiento de maderas sometida al efecto de estas radiaciones, las cuales no son visibles. Son procedimientos poco desarrollados que pueden reducir a algunas horas el proceso de secado.

Finalmente, el secado por efecto Joule consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través de la madera húmeda, entre dos electrodos llamados ánodo y cátodo. El resultado es variables según la humedad en la madera y la proximidad al ánodo y electrodo positivo. Es un método experimental de reducida utilización.

Secadoras solares

Desde 1960. se viene investigando sobre la energía solar para secar madera. Se han llevado a cabo investigaciones en Puerto Rico, Filipinas, Austria, India, Japón, África del Sur, Madagascar, Uganda, Estados Unidos, Brasil, etc.

Las secadoras solares son de una construcción muy sencilla. En la mayoría de los casos, su estructura puede ser construida de madera. Los rayos solares inciden en un colector plano que convierte la energía de radiación en energía térmica. Un flujo de aire proveniente de abanicos internos se encarga de transportar el calor hasta la madera, el agua existente en la misma pasa al aire, saturando después de cierto tiempo el ambiente de humedad. De acuerdo con el programa de secado, el aire saturado es renovado por medio de unas compuertas que se accionan manualmente.

Existen varios diseños de secadoras, basadas en el mismo principio. Uno de los diseños que más rendimiento y mayor facilidad de construcción tiene es el que se ha adoptado en Costa Rica.

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38 utilizada en casi toda Centroamérica, ya que la radiación solar en sus límites inferiores alcanza valores que pueden perfectamente ser aprovechados para secar madera.

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. Fuente: (Eduardo Sibaja Arias, 1985) Figura 6. Vista superior de secador solar para madera

Funcionamiento

La eficiencia en el funcionamiento de una secadora solar depende de una serie de factores que deben ser considerados en su planteamiento y su construcción:

 Captación eficiente de energía solar, ya que esta es la única fuente de energía necesaria para estimular el secado.

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40 norte.

 La inclinación del colector debe escogerse de tal forma que el ángulo de incidencia no varíe más de 47° en las diferentes épocas del año. En los diferentes diseños, se ha estudiado cuál es la inclinación óptima, sin embargo, han habido diferentes opiniones al respecto. Los cálculos indican que la inclinación mejor para esta zona de Costa Rica es la misma que la latitud (~10°N).

Fuente: (Eduardo Sibaja Arias, 1985) Figura 7. Gráfico de comparación de secado solar contra secado al aire libre

Fuente: (Eduardo Sibaja Arias, 1985) Figura 8. Comparación de curvas de secado solar y secado al aire de la especie Caoba

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41 De acuerdo con los resultados obtenidos, se puede afirmar que las secadoras solares pueden ser usadas en la mayor parte de Centroamérica con buenos resultados.

En relación con los estudios realizados se puede afirmar que el costo de secado en secadora solar puede resultar, en la mayoría de los casos, más barato que secar al aire libre. Además, este es mucho más rápido y llega a contenidos de humedad menores que el secado al aire libre.

Al usar energía solar se tiene un recurso fijo y que no variará en suministro ni en precio en función del tiempo.

Este modelo o modelos similares podrían ser usados por pequeñas y medianas industrias como secadoras propias de producción, ya sea en forma única o como batería de secadoras. En las grandes industrias puede funcionar como presecadora.

Existen tres tipos básicos de secadores solares para madera. Los dos primeros son aparatos simples y limitados que deben clasificarse más bien como presecadores; mientras que el tercer tipo, más complejo, es el único que puede clasificarse como un secador propiamente dicho, según la clasificación establecida en el apartado. “La clasificación de las cámaras de secado”. Los secadores solares son una solución interesante para producción de madera hasta de unos 20 m³ por mes. El primer tipo de secador solar, el más simple de todos, tiene el colector solar integrado a la cámara de secado y un circuito único de ventilación que propulsa el aire a través de la madera. Cuando las condiciones de humedad o temperatura del aire son inaceptables, éste se cambia por aire ambiente accionando un sistema de ventilas. Con respecto al secado al aire-libre, este secador ha reducido el tiempo de secado a la mitad en verano (quince días en lugar de un mes) y a una tercera parte en invierno (un mes en lugar de tres).

El segundo tipo de secador consiste en una cámara separada del colector solar (el cual puede Implementarse, por ejemplo, adaptando un techo cercano). Un sistema único de ventilación lleva el aire caliente del colector a la cámara y lo propulsa a través de la cámara una sola vez (túnel) o lo recircula regresándolo al colector para calentarlo de nuevo,(en esta último caso, es necesario purgar la humedad del aire se secado). Estos presecadores llegan a rendimientos del 20% al 30% mejor que; los de los secadores simples es posible acoplar el colector solar con otra fuente energética diferente para poder obtener un secador mixto.

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42 colector solar, y el circuito de intercambio de aire con el exterior, que permite extraer de la cámara el aire cargado de humedad y reemplazarlo por aire ambiente. Por medio de un proceso automático, un control que regula las condiciones del secado arranca o detiene los circuitos de ventilación. Este tipo de secador acoplado a una fuente de calor permite continuar el secado durante la noche, lo cual es tan efectivo como los deshumidificadores y los secadores convencionales.

Colector Solar

En un secador solar el aprovechamiento de la irradiación solar se convierte en su motor y utiliza los principios de transferencia de energía. La determinación del régimen de transferencia del calor a una específica diferencia de temperatura, es la clave para determinar el tamaño del colector necesario para proveer una determinada temperatura, el calor se transfiere de tres modos diferentes:

 Conducción: o transferencia de calor debida a la vibración y rotación molecular

 Radiación: o transferencia de calor por fotones o quantos de energía

 Convección: o transferencia de calor debido al movimiento de fluidos. Este modo es, además, una forma de conducción

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Fuente: (Eduardo Sibaja Arias, 1985) Figura 9. Pérdida de calor en un colector de placa plana

Conducción

La conducción es un proceso por el cual el calor fluye de una región de alta temperatura a una región de baja temperatura dentro de un sólido, un líquido o un gas, o entre diferentes medios que están en contacto físico. De los tres modos de transferencia de calor, la conducción es el único que puede fluir en sólidos opacos. La relación básica de transferencia de calor por conducción establece que el régimen de flujo de calor por conducción en un material está dado por la siguiente ecuación:

Ecuación 3. Fórmula de transferencia de calor por conducción Fuente: (Eduardo Sibaja Arias, 1985)

Donde:

 K=conductividad térmica W/m°C

 A=área de sección transversal (m2)

 ΔT=diferencia de temperatura entre los puntos

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44 La conducción de calor es muy parecida a la conducción eléctrica, pues en ambas se requiere una diferencia de temperatura (en electricidad, la diferencia es de voltaje) y una vía material de transmisión. Las propiedades de los conductores de electricidad y del calor son similares (los metales conducen muy bien, mientras que los plásticos ofrecen gran resistencia). Las vías cortas y anchas conducen mejor que las vías largas y angostas. La razón del flujo depende de la diferencia en la temperatura entre los dos puntos

Radiación térmica

La radiación es un proceso en el cual el calor fluye de un cuerpo a otro. Esta la emite cualquier cuerpo que tiene calor, como las ondas de radios parten de una antena. El flujo de calor depende de la temperatura ambiente del objeto, sin tomar en cuenta la distancia. Un colector solar está normalmente más caliente que el medio que lo rodea y va a irradiar calor hacia afuera de la lámina de absorción. En sistemas solares debe tomarse en cuenta la irradiación, pero no se puede controlar en forma tan sencilla como la convección y la conducción.

La radiación o intensidad de calor que emite una superficie está en función de la temperatura a la cuarta potencia por la emisividad de la superficie y por la constante de Stefan Boltzman (5,667 x 10-8 W/m2 K4). La radiación de una

superficie se obtiene de la siguiente manera:

Ecuación 4. Fórmula general de la radiación térmica

Fuente: (Eduardo Sibaja Arias, 1985)

Con respecto al caso especial del colector solar, hay dos casos especiales cuyos cálculos se realizan en forma más simplificada.

El primer caso especial es cuando se quiere establecer la radiación térmica entre 2 superficies planas paralelas a infinito. En este caso, la fórmula aplicable es la siguiente:

Ecuación 5. Radiación térmica entre dos superficies planas Fuente: (Cengel, Tercera Edición)

Donde:

 ϵ = emisividad de la superficie

 σ= constante de Estfan Boltzman

 A= área efectiva

 T= temperatura absoluta

Donde:

 ϵ = emisividad de la superficie

 σ= constante de Estfan Boltzman

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45 El segundo caso especial es cuando una superficie pequeña (colector solar) está rodeada por una superficie grande (como el cielo). En este caso, la fórmula es la siguiente:

Ecuación 6. Transferencia de calor de una superficie pequeña a una superficie infinita Fuente: (Cengel, Tercera Edición)

Convección

La transferencia de calor por medio de convección requiere del movimiento o flujo de un líquido o un gas. La transferencia ocurre cuando el líquido o gas se mueve de un punto a otro llevando calor. La transferencia de calor por medio de convección es un factor muy importante de considerar en el diseño y construcción del colector solar. La fórmula general de la convección es:

Ecuación 7. Fórmula general de convección Fuente: (Cengel, Tercera Edición)

Para el adecuado funcionamiento de un colector solar, se requiere controlar la convección de dos formas. Primero, se debe tratar de disminuir la convección de calor que ocurre entre las superficies de la lámina de absorción y la cubierta del colector. Esto ocurre naturalmente por el calentamiento de aire por la lámina (convección natural). Segundo, se debe tratar de disminuir la pérdida de calor por medio del flujo de aire que pasa encima del colector por el viento (convección forzada). Estas medidas tienen el propósito de reducir las pérdidas de calor de los colectores solares de placa plana con el fin de mejorar su eficiencia.

Donde:

 H=coeficiente de transferencia de calor W/m°C

 A=área de sección transversal (m2)

 ΔT=diferencia de temperatura entre los puntos Donde:

 ϵ = emisividad de la superficie

 σ= constante de Estfan Boltzman

 A= área efectiva

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46 La convección natural que existe entre dos placas es de gran importancia en el estudio de colectores de energía solar de placa plana. Para hacer un estudio de este régimen de transferencia de calor, hay que establecer correlaciones entre varios parámetros adimensionales, con el propósito de determinar el valor de h lo que nos permitiría conocer la transferencia de calor por convección. Dos de esas relaciones son los números de Nusselt (NU) y Rayleigh (Ra).

Ecuación 8. Fórmula general del Número de Rayleigh Fuente:(Cengel, Tercera Edición)

Ecuación 9. Fórmula general del Nusselt Fuente: (Cengel, Tercera Edición)

Secado en cámara mediante aire caliente climatizado

En este método el aire, que ha sido convenientemente climatizado y que se encuentra a la presión atmosférica, actúa como agente secante al forzar su paso por las pilas de madera. El secado se realiza en el interior de cámaras especiales denominadas cámaras de secado.

Donde:

-

-

- - - -

Donde:

 Ra: número de Rayleigh

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47 El aire climatizado se obtiene impulsando el aire en el interior de las cámaras mediante ventiladores que fuerzan su paso a través de las baterías de calefacción y utilizando los sistemas de humidificación y/o deshumidificación.

Los posibles métodos para secar la madera en cámara mediante aire caliente climatizado son:

 secado tradicional a temperatura media (≤ 80°C).

 secado a alta temperatura (>100°C)y

 secado con bomba de calor.

Los secadores que se utilizan constan, de forma general, de los siguientes elementos y dispositivos:

-cámara de secado.

-sistema de circulación del aire y

-dispositivos de climatización del aire interior.

Las características constructivas de las cámaras y el diseño del sistema de circulación del aire interior son comunes para todos los métodos y se detallan en el siguiente apartado. Algunos métodos de secado presentan características especiales en los sistemas de circulación del aire y en los dispositivos de climatización del aire interior que se recogen de forma particular en los correspondientes métodos de secado. En estos secadores el aire, convenientemente climatizado, actúa como agente secante, relacionado con la presión atmosférica.

Características constructivas de las cámaras

Las cámaras de secado son, en casi la totalidad de los casos, células prefabricadas autoportantes, vendidas directamente por el fabricante.

Dichas células deben incorporar un aislante térmico, adecuado a las condiciones de trabajo, para disminuir las pérdidas térmicas desde su interior, deben ser estancas al vapor de agua, para permitir trabajar en condiciones de fuerte higrometría y, finalmente, deben ser resistentes a la corrosión por los ácidos de la madera que se liberan en el curso del secado.

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A) Estabilidad constructiva, estanqueidad y resistencia a la corrosión.

La construcción debe ser sólida, es decir, deben evaluarse tanto las características constructivas de los paneles de cierre (material, espesor de las chapas) como de la estructura de sujeción.

Los paneles laterales suelen tener la altura del secadero y una anchura de 90 a 120 cm. Las caras laterales de estos paneles suelen estar fabricadas o de chapa galvanizada o de chapa de aluminio. En el primer caso suelen incorporar pinturas al fuego y en el segundo lacas transparentes. Estas chapas suelen incorporar en su interior sistemas de anclaje del aislante.

En el caso de los secaderos que trabajan a temperaturas bajas y medias (≤80°C), estos paneles suelen ser del tipo sándwich, los cuales incorporan en el alma espuma de poliuretano o de poliestireno de alta densidad que actúa como aislante térmico. La unión entre paneles se suele efectuar mediante el sistema de ranura y lengüeta de material aislante, para evitar la presencia de puentes térmicos y la aparición de puntos de rocío. Los paneles se fijan a la estructura metálica, que quedará visible al exterior. Las uniones entre paneles serán tratadas interiormente con masillas para evitar las fugas de vapor de agua.

Cuando se trabaja con temperaturas elevadas (>100°C), el aislante debe ser lana de vidrio o lana de roca, pero preferiblemente la segunda cuando se trabaja entre 120-130°C. Ambos materiales tienen tendencia a deslizarse y acumularse en la parte inferior. Para evitar este problema, que comprometería gravemente el aislamiento térmico de la cámara, se aconseja colocar nervios transversales, cada 80 cm a 1 m, a los que se fijará el aislante. Estos nervios suelen a su vez fijarse a la estructura metálica y todo el conjunto se reveste exteriormente. Todas las juntas interiores deberán ser tratadas con siliconas o masillas de caucho resistentes a la temperatura máxima de trabajo.

El espesor medio del material aislante puede oscilar entre 60 y 120 mm según zonas y tipos de secaderos.

Cuando el secadero vaya a ser colocado en el exterior, deberá asegurarse que en el cálculo de su estructura y de los paneles laterales se han tenido en cuenta las posibles sobrecargas (nieve, viento, etc.), que puedan afectarle.

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49 preverse juntas de dilatación para evitar que las dilataciones térmicas produzcan su agrietamiento y levantamiento. Será aconsejable incorporar un aislante de 50 a 60 cm de espesor para evitar las fugas térmicas.

Todos los materiales expuestos (paredes interiores, estructura de apoyo, poleas y mecanismos, tornillos, etc.) deberán incorporar el tratamiento o ser de un material adecuado a las condiciones altamente corrosivas que para los metales suelen reinar dentro de los secaderos, especialmente los que trabajan a alta temperatura. A este respecto el aluminio es un material ideal por su resistencia a la corrosión y ligereza.

B) Tamaño de la cámara

El tamaño óptimo de la cámara depende de los siguientes factores:

-La calidad de secado requerida

La calidad del secado depende de la factibilidad de obtención de condiciones higrotérmicas homogéneas a lo largo de todo el frente de aire que atraviesa la madera, lo que se traduce en gradientes de humedad reducidos en el seno de las pilas. A este respecto, las cámaras pequeñas (50m³), donde el volumen de aire que es necesario mover y la longitud del frente de madera son reducidos, presentan una mayor homogeneidad que los grandes secadores.

-La velocidad del proceso.

La velocidad del secado depende en cierta medida del tamaño de la cámara. Los secaderos grandes presentan una mayor inercia, por lo que tardan más tiempo en alcanzar las condiciones iniciales del secado, lo cual aumenta el tiempo tal requerido para el proceso.

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50 emplea a plena capacidad y el tiempo total de la operación no difiere significativamente del necesario en un secadero pequeño, la tasa de amortización por m³ de madera seca es menor en los secaderos grandes que en los pequeños.

Con respecto al coste energético, el coste de la energía eléctrica necesaria para el movimiento del aire interior es un aspecto de gran trascendencia. En los secaderos grandes, el coste de esta energía por m³ de madera es menor, por lo que si el secadero se emplea a plena capacidad el coste total de este apartado será menor en los secaderos grandes que en los pequeños. Esto será tanto más cierto cuanto más largo sea el secado de la madera (frondosas poco permeable).

Como resumen de todo lo anterior debe afirmarse que siempre que el secadero vaya a ser empleado a plena capacidad, un secadero grande resulta más económico que varios pequeños.

-La flexibilidad de empleo.

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51

secaderos pequeños aporta mucha más elasticidad al

funcionamiento interno de la empresa que uno grande, pues evita la poco recomendable mezcla de especies y/o espesores.

C) La forma geométrica del secadero

Los criterios que deberán considerarse son los siguientes:

-La anchura del secadero

La anchura del secadero se corresponde con la dirección del flujo de aire que atraviesa a las pilas. Debe elegirse de forma que se consiga la máxima homogeneidad en el secado, por ellos se aconseja emplear anchuras de pila de 3m, si el sistema de ventilación incorpora la posibilidad de inversión del sentido del flujo de aire. La recomendación anterior es válida para el caso de coníferas desde estado verde, pues si se considera secar frondosas o madera oreadas, la anchura de las pilas puede duplicarse.

-La altura del secadero

Es función de la altura máxima de las pilas que garantice su estabilidad y del sistema de carga empleado (vagonetas, toros, etc.) Para asegurar la estabilidad se aconseja emplear alturas de 3.5 a 4 m. Si se considerará necesario de acuerdo con el diseño elegido, la altura total interior del secadero deberá calcularse añadiendo a la altura de las pilas antes citada el espacio interior necesario para la

ubicación de los elementos auxiliares (ventiladores,

intercambiadores, etc.,) que, por término medio, requiere de 1 a 1,5 metros. En cualquier caso, deberá asegurarse una distancia mínima de 20 cm entre el tope de la pila superior y el techo (o falso techo) del secadero.

-La longitud del secadero

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